기존의 자동차 공학 시리즈는 재미없음과 지겨움의 표상으로 사무실에서 눈총을 받기 시작하더니, 결국 순차적 시리즈는 문을 닫아버리고, 중구난방의 주제로 메카니즘에 대한 썰을 풀어 나가기로 결론 내려졌다.
소공의 얕은 내공을 자책하며 지리산으로 잠시 몸을 옮겨 볼까도 고민했으나, 철도의 운행차질로 인하야~ 마음을 접고야 말았드랬다.
각설하고~ 본론으로 드가보자.
한동안 린번 린번~ 하야 기름 적게 먹는다고, 시끌벅적하게 광고를 해대던, 린번엔진에 대해 함 디벼보자.
실제 차량에 적용된 엔진들이 소리 소문 없이 사라져 버린것에 대해서는 애써 외면하며, 원론적 개념으로 살펴보겠다.
린번의 사전적 의미가 무엇인지는 다들 아시리라 믿는다. 문자 그대로, 희박~ 하게 태운다는 의미다. 희박? 높은 산에 올랐을 때, 우리는 산소가 희박하다고 표현들 한다.
그렇다면, 엔진에서의 희박연소의 의미란 무엇이 부족하다는 야그일까? 일상생활에서 처럼 역시 산소가 희박한 것을 야그하는 것이 아니라. 그와 반대로, 산소량에 비해 연료가 희박하다는 개념 되겠다.~
그러므로~ 연료를 쪼끔만 주고, 차가 굴러간다니, 연비 증대를 유도할수 있다는 개념이다.
그럼, 각박한 세상을 사느라, 수고하신 대협들께서는 모두 함께, 희박한 연소의 개념으로 들어가 보자.
린번의 개념!!
먼저, 린번이라는 의미는 희박연소 라는 개념이라고 말씀 드렸드랬다.
희박하다? 분명 어떤 기준점이 있어야, 그 이하가 희박하다고 야그할수 있지 않겠는가....
그 기준점은 다름아닌 이론공연비 14.7:1 이 되겠다. 공기14.7에 대해 연료랑 1이 드가지는 공기와 연료의 비율을 아이디얼~한 상태, 즉 가장 이상적인 연소가 이루어지는 공연비라 하야 이론 공연비라 하고, 기존의 경우 이상적인 공연비 14.7:1을 맞추기 위한 제어 방법이 대두되어 지곤 했었드랬다.
그 이론 공연비 보다 희박한 (18:1 20:1 등등) 조건에서의 연소를 의미 하는 개념 되겠다.~
간단히만 생각해 보자. 일정한 실린더 내에 산소가 차지하는 비율이 늘어나고, 그와 반대로, 연료가 적게 들어간다. 기본적으로 연소는 이루어지고, 피스톤을 밀어주면서, 동력을 얻어내고, 크랭크 축을 회전시킨다면, 일단 연료는 적게 소모 될 수 있다 라는 개념 되겠다.
희박연소로 얻을수 있는 효과들...
1.열손실의 저감 (냉각 손실의 저감)
실린더 내에서 같은 양의 연료가 연소되어 소비되어진다고 하더라도, 적은 양의 고온 작동 가스 보다는 많은 양의 저온 작동 가스로 피스톤을 밀어내는 쪽이 작동가스의 비열 및 열손실측면에서 유리하다. 이것은 작동가스의 온도와 연소실 벽면이나 피스톤 헤드 표면과의 온도차가 작은 편이 작동가스가 냉각되는 률이 작기 때문이다.
희박연소엔진의 경우 부분부하 운전시에는 일반적인 엔진에 비해 1.5배 의 공기량이 흡입 되므로, 혼합기중의 연료의 밀도가 낮고, 화염전파 속도가 늦어지게 된다. 이 때문에 연소의 진행이 완만하여 혼합기의 연소 온도가 낮아지게 되며 연소가스의 온도가 낮으면 낮을수록(연소=>팽창)에서 연소실로부터 냉각계로 방출되어지는 열량이 적게 된다.
2. 펌프손실의 저감
같은 출력을 얻는데 있어서 많은 공기를 흡입하기 위해서는 스로틀 밸브의 열림을 크게 하여야 하고, 이렇게 하는데 따라 실린더 내에 공기가 흡입될 때 동반되는 펌프 손실이 저감된다.
다시 말해, 회박 연소 엔진인 쪽이 종래의 이론 공연비 운전의 엔진에 비해 많은 공기량을 필요로 한다 .따라서 동일한 운전 조건일 때 희박연소 엔진의 경우 실린더 내의 부압이 작아져서 흡기 행정에서의 펌프손실이 저감되게 된다.
이처럼 작아지는 분만큼이 같은 양의 연료를 연소 시킬 경우 유효 출력이 그것에 따라 증대하는 것이며 동일한 출력을 얻는데 사용되는 연료가 적어져서 연비가 향상되는 개념이 된다.
위 그래프는 희박연소시 공연비와 토크 및 NOx 와의 관계를 나타낸 것으로 토크는 공연비 13:1 부근에서 가장 높게 나오고 공연비가 희박해지면 점차 감소하는 것을 알수 있다.(희박연소 엔진에 대해 출력이 떨어진다는 등의 소리가 나오게 되는 부분되겠다.)
또한 NOx(질소산화물)은 16:1에서부터 18:1 부분까지 가장 많이 배출되다가 22:1 정도가 되면 급격히 저감한다.(주제가 린번 엔진이므로 가볍게만 언급하고 넘어가면, NOx 라는 질소산화물 자체가, 생성되는 이유가 일반적인 조건이 아닌, 고온 고압의 상태에서 질소가 산소와 반응하여 생성되는 질소의 산화물질이다. 쉽게 말해서 혼합기가 희박하게 되어질수록, 실린더 내의 온도는 고온 고압의 조건에서 점점 멀어지게 된다. 그러므로, NOx 가 생성되어질 조건이 충족되어지지 않기 때문에, 저감되어 진다고 보면 되겠다.)
연료 조금 넣었는데도 타기는 하냠?
간단히 말씀드리면, 가스 유동을 조절하기 위해, 스월 컨트롤 밸브(SCV 라 지칭한다. 스타크래프트의 테란과 관계없슴.....)와, 성층 급기 방식 등을 동원하야~ 구현 가능하다고 말씀드릴수 있다.
기본적으로 불꽃점화가 되어지는 부분은 이상적 공연비에 가깝도록 혼합기가 존재하고, 점점 멀어질수록 혼합기가 희박해 지게 된다는 말씀이다.
일단 불이 붙었으므로 화염전파를 통하여 연소가 이루어 지게 된다. (가솔린 엔진의 경우 스파크 이그니션, 즉 불꽃 터트려 불붙이는 방식이라고, 디젤 외전 기사에서 말씀 올렸던적 있었드랬다. 링크 걸어 달라고? 카클을 사랑하시는 분들은 다들 알고 있으실 것이므로 무효~ 되겠다. )
성층화를 다시 표현하자면, 연료와 공기를 고르게 섞지 않는 개념으로 표현하기도 한다.(단어적 의미로는 층을 형성한다. 라는 야그 되겠다.)
린번엔진을 구성하는 몇가지만 짚어보고 넘어가자.
1. 스월 컨트롤 밸브(SCV)
일반적인 가스의 유동으로서는 공연비가 18:1 이상으로 혼합기가 희박해 지면, 연소가 악화되어 회전상태가 불안정하게 된다.
그러므로 이를 SCV를 통하야 가스의 유동을 활발하게 하여 공연비가 희박해 지더라도, 안정적인 연소를 꾀할수 있게 된다.(스월이라 함은 쉽게 야그하면, 소용돌이 친다라는 개념으로, 실린더 내의 가스 유동을 보다 빠르고, 역동적(?)으로 만들어 준다라는 야그로 받아들이시면 무난할 듯 싶다.)
린번 제어영역에서는 SCV를 닫아 빠른 유속에 의해 스월이 발생되도록 한다. 희박 공연비 상태에서도 연소가 가능해 지는 이유는 바로 스월 유동과, 성층화를 이용하기 때문이다.
2. 전 영역 산소센서
린번 엔진에서는 기존의 산소 센서 대신에 이론 공연비에서부터 그 이상의 희박한 공연비 까지 계측이 가능한 전 영역 산소 센서를 채용한다.
린번엔진 에서는 연비를 최대한 향상시키기 위해 희박공연비를 사용할수 있는 영역을 최대한 확보해야 할 필요가 있다.(주 목적을 상실하고, 어쩌다 조금만 사용되어 질라믄 굳이 힘 뺄 필요가 없겠지 않는가.) 또한, 희박연소로 주행하다가, 부하가 많이 걸리는 부분으로 변화 될시에, 이론 공연비 로 혼합기를 서서히 변화시키게 되는데, 앞에서 언급했듯, NOx 값이 14:7:1 의 이상 공연비 약간 위쪽 부분에서 가장 많이 나오게 된다. 그러므로 그 구간을 건너 뛰어, 이상공연비 로 전환이 이루어 지는데, 이런 경우 운전자는 충격을 느끼게 될 수 있다.
그러므로, 희박 연소에서는 정확도 높은 공연비 제어가 필수적이기 때문에 이론 공연비 뿐만 아니라 넓은 조건에서 피드백 컨트롤을 할수 있는 전 영역 산소 센서를 채용하게 된다.
(사실 먼소린지 어렵게 느껴질 꺼다. 소공도 그다지 가까운 소리로는 와 닿지 않는다. 쉽게
산소센서가 기존것과 달리 여러 넓은 영역을 컨트롤 할수 있어야 한다고 이해하시면 되겠다.)
3.연료분사 방식의 변경
종래에 사용되어 오던 연료의 동시 분사 방식으로부터 각 실린더의 연료 분사를 독립적으로 또한 조건에 상응하여 분사시기가 달라질수 있는 독립 분사 방식으로 변경 하였다.
이것은 공연비가 20을 넘게 되는 희박 혼합비 영역에서 연료의 분사시기에 따라 토크의 변동이 크게 달라지기 때문에 이의 완화를 위한 최적의 분사시기를 택할 필요가 있기 때문이다.
마무리~
아반떼 린번, 액센트 린번 등 으로 부터 초기 에쿠스의 GDI 엔진 까지, 린번의 개념이 국내 에서도 상당히 센세이션(?)을 불러왔던 적도 있다.
대우자동차의 누비라의 광고 문구 "힘있게 완주할 것인가 아! 반대(아반떼 린번을 은근히 비꼰 표현 되겠다.)로 힘없게 완주할 것인가?"에서 찾아볼수 있듯, 출력이 부족한 차 등으로 폄하되어 지기도 했었지만, 정속주행시의 큰 부하가 걸리지 않는 부분에서의 작동은 분명 연비 저감 효과를 가져올수 있었드랬다.
실제적인 구현에 있어 문제점이 있어서 인지, 이제는 은근슬쩍 사라져 버렸지만, 고유가 시대를 살아가는 현재의 입장에서 본다면, 문제점의 보완을 거쳐 다시 우리 곁으로 다가 올지도 모르겠다.
사실 14.7:1 이라는 이상공연비에 익숙해 있던 이들에게, 22:1 이니 40:1 이니는 상당히 획기적인 개념으로 받아들여졌었다.
그 실제적 구현이 난제 였을수 있지만, 우리 나라 자동차 엔지니어 대협들의 기술력을 함 기대해 봐도 되지 않을까 싶다.~
